庫内温度一定冷蔵庫の理論解析

U.D.C.る21.5d5.7-533.る5:る41.42.037:53占.58

庫内温度一定冷蔵庫の理論解析

Analysis

_{ofRefrigerator}

Maintaining

Constant

In亡erior

Temperature

阿

部

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Yoritsune Abe

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磐

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Iwao _Yamamoto

要

旨

従来の家庭用冷蔵牽こ三温度調節器の目盛を一息こして置くと,庫内温度が夏ほ高く,冬ほ低くなる傾向があ り,使用者は季節に応じて温度調節の目盛を操作しなけれ:ぎならなかった｡そこで使用者の手間を省き,夏冬 に開拓なく常に嘩内温要が一定となる冷蔵庫を得る目的で,従来蒸発器に取り付けてあった温変調節器の感熱 管を庫内に取り付け,また断続運転による嘩内温度の変動幅を狭くする目的で感熱管に小容量のヒータを付設 し,このヒータに_圧縮僚が停止中のス､通電するようにLた構造の冷蔵嘩を開発した｡本論文:ま上記構造の冷蔵 庫の冷却性能を理論的こ解析Lたものである｡

l.緒

口 従来の冷蔵嘩は温変調節器の感熱管を蒸発器表面こ取り付け,蒸 発器の温筐を感知Lて圧縮駿の運転を制御するいわゆる蒸発器温璧 感知の冷蔵庫であった｡このような冷蔵庫では蒸発器温空こま一定と なるが,外気温蜜が低いときにこよ嘩内温度iま低くたり,外気温度が 高いときにほ車内温度は高くなるという特性を有している｡そこで 温度調節器の感熱管を庫内に取り付･こナ,直接庫内温度を感知して制 御するいわゆる庫内温度感知冷蔵庫とすると,外気温度の変化こヌ寸 して平均庫内温度は一定となるカ＼温度調節器の作動幅自体こ数蜜 の温度差があるため,それがそのまま庫内温度の変動幅となり,庫 内温度の変動が従来の冷蔵嘩の変動よりも大きくなる欠陥がある｡ この欠陥を改良するために車内温空調節器の感熱管にヒータを付設 し,庫内温度調節器がオフしたとき,すなわち圧縮依が停止した± きのみヒータを通電する方式を採用すると庫内温度感知方式でも嘩 内温度の変動が狭く,しかも外完温度の変化こ対Lて一定の庫内温 度となる冷蔵庫(図り を得ること′うこてきる｡本論文･二三上記の方式 を採用Lた場合にヒータ容量,放熱特性､熱容量,温嗟調節器しつ作 仁ゝ ごj■･ ノ､空相■l 蜘xせ墨笥蒜萱謂.Ⅷ竪琴警警聖--- し郡m j蔓- ■噂､ 義 ･三ユ蓬≡

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図1 庫内温度一定冷蔵韓の外観 * 日立製作所栃木工場 一 (〕L‥亡 朗へ 一20 動値などをどのように決めたらよいかを理論的に解析したもので ある｡

2.冷蔵庫の断続性能について

冷蔵嘩の嘩内温変は30℃て連続運転を行なうと-6℃程定まで 冷却され,このままでは嘩内に貯蔵されている食品は凍結する｡こ れを防止するため従来は蒸発器に温度調節器を取り付けて圧縮機の 運転停止を行なっていた｡しかるにこの方式でミま温度調節器を一定 にセットしておくと蒸発器温度ほ一定たのであるが,図2のように 庫内温度が外気温直により変化してしまう欠点を有している(1)｡ 温度調節器を韓内に設置すればこれらの欠点を取り除くことがで きるのであるが,単に韓内こ置いたのでこ三図3のように運転停止に よる韓内温度の変動幅が大きくなり,このことは食品陳存上好まし くないのでこの方式ほこれまで採用されていなかった｡ しかるに温度調節器の感熱管に小容量(1W以下)のヒータを取 り付け,これを圧縮陳が停止中のみ通電するようにすれ:ご感熱管温 度は図4のように変化するこすなわち感熱管の作動温度を車内温度 よりぞや高い温度に設定しておくと,圧帝犠が停止中二三ヒータの通 電こより感熱管くよ強制的に加熱されて短時間でオン作動し,圧縮榛 か運転中はヒータに通電されないので感熱管は嘩内温蜜まで冷却さ れようとLて毎時間(作動値を韓内温蟹よりもチ苧高く設定Lてい 10 2卜 (訝勺) 惜苦瓜印譜こき∴ご門T-妄〕 10 加 キトーミニう乙■七(Dc) 30 阿2 _{外気温.要と車内温度の関床}

ー39-O1 0 外気温度10'c 外気ざ且望300c 1 2 ₃ 4 温厚調節箸芸′滞斬温一撃幅(deg) 国3 温度調節器の作動温度幅と 庫内温要の断続変動幅の関賃

632 _{昭和44年7月} r ･｡/.【リ T` (U∵ 桝ト ポ一 ｢-き亡こ

斗

-】∃葛.1

(‥+ ＼ ＼ + ヨ ニ乙 + ､a】T｡ヱし' 至りT一-･二げ-￣ 田1 密乍温萱r∴こマナる感熱管温空r∫の 加案ホ冷却変化と蓮華三壬の関蘇 るたカ)でオフ作動し,C､ん繁ニナン,十フを繰り返すようになり, 庫内温室の断続による変動幅を小さくすることができる｡ しかしこ乃方法を用いると再び車内温要は外気温蜜の変化により 常に一定とは限らなくたるコ (1)たとえ:ご外気温要二さ二30⊂Cのとき図4(a)の状態で冷蔵韓 が断続運転されているとすると,感熱管温度T′は車内温度r∴こ 対してヒータが通電中は曲線Aのように温度上昇し,ヒータが通 電されていないときは曲線Bのように冷却されている｡この現象 は温度調節器の作動値と庫内温変が決まれば常に一定の形をとり 外気温度に関係しない｡ところが外気温寛が低くなってくると図 4(a)の状態では圧縮機の運転が多すぎて庫内は冷えすぎの状態 となり,図4(b)のように車内温変riは低下してしまう｡庫内 温度が低下すれミまこれと温変調節器の作動値との開拓も変動し, 圧縮機の運転も少なくなり,以上両者の関係が平衡したところで 冷蔵庫の運転が行なわれる｡すなわち感熱管ヒータを使用した方 式では外気温度の変動に応じて車内温度を若干変化させ,それに よって圧縮機の運転率を制御しているので,それ自身では庫内温 度を一定にすることはできない｡ (2)冷蔵庫は蒸発器の冷却力と箱の断熱材を通過してくる熱量 が平衡したところで運転されるが,箱の断熱材を熱が通過してく るときの温度分布状態を述べると庫内温変と庫内の壁の温度では 庫内温度のほうが若干低い｡しかもその差は外気温虔と庫内温度 の差が大きいほうが大きいので車内の壁に温度調節器の感熱管を 取り付けて,ここが一定になるようにすれば庫内温度ほ外気温度 が高いほうがより低くなる｡ 以上(1),(2)の作用を組合せることにより,外気温度の変化に 対して車内温変は一定となったり,上がったり下がったりする｡以 下断続における図4のような温度変化を計算により求め,外気温変 と庫内温度の関係,および庫内温度の断続による変動幅を明らかに する｡ 以上のようにした冷蔵庫の主要電気配線図は図5のようである｡

3.熱平衡関係式

(り 関 係 式 冷蔵庫の各部の熱平衡は次のようになる(2)｡ (i)蒸発器の熱平衡 庫内および外気から蒸発器へ浸入する熱量ほ冷凍サイクルの 冷凍能力と蒸発器自身を冷却する熱量との和と熱平衡し,(1) 式のように表わされる｡

∬1(r一打十範(れ一九)=糾Cど告

…･……(1)

評

三′ゝ 喜田 ■b■､て'11Ll. 第51巻 第7号 ヨ5 主 要 配 線 図 (ii二)牽内ヒーノ?しっ熱平衡 外気,嘩Plヒータから軽内へ浸入する熱量と感熱管から感熱 管しつ岡田へ放熱する熱量とつ和ほ蒸発器から庫内へ流れる冷却 熱量と唾内自身を冷却する熱量との和と熱平衡し,(2)式のよ うに表わされる｡ 〟三tr,一丁i)＋Å力(Tゎーr･二)十∬′(r`-r∠′.)≒ 〟1て.r一九)÷C∫

些

dg …‥…(2) (iii)華｢勺ヒータの熱平衡 庫内ヒータの入力は庫内ヒータから庫内および外気へ放熱す る熱量と,庫内ヒータ自身を加熱する熱量との和と熱平衡し, (3J式のようこ表わされる｡ l†1.=凡l(rゐ一丁)＋凡】′(rJz一丁も)＋C力

些

d′ .……(3) (iv￣)感熱管の熱平衡 感熱管ヒータの入力は感熱管から感熱管の周囲へ放熱する熱 量と感熱管自身を加熱する熱量と熱平衡し,(4)式のように表 わされる｡

1Il=ん(T′一丁′汁C′_些

dJ 以上の(1)∼(4)式における￠,l机,,l机は次のとおりである｡ 圧縮機運転中は 0=Og lγノi=0 †n=0 圧縮機停止中は ￠=0 1yん=l机1 1机=l机1 また感熱管周囲の温度は近似的に次の式で表わされる｡ r′′=71･＋月′(7もーr)‥‥..叩..……‥..…….……,…(5) し■ し_l･--乃′= 乃

1＋並.些

ノ 爪′0 庫内ヒータの熱貫流係数ほ次の式で表わされる｡ _打ん= ∬九′= 5

⊥⊥旦

αi ス Sム

⊥＋逓

α0 人 …….‥……….‥.…..‥.….…(6) さらに￠どは(7)式を用いて計算される値である｡

-40-庫

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一

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蔵

庫

の _理

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析

C′=ヤーギ

ヤ=A-(β＋C･R)音

Q｡=Cデ(オ3一才41 0｡=凡(r一了も〕 ￠g=C,(言6一言5) R二八(Tぐ＋273.16)冷媒によって決まる関数 月∫ニム(℃＋273.16)冷媒によって決まる関数 オ4=g5=ム(n)冷媒によって決まる関数 γ=ム(れ＋273.16,県)冷媒によって決まる関数′ (7_) なお,断続性能計算における記号の名称ほ表1のとおりである｡ (2)計 算 方 法 (i)初期条件としてrg,rカ,r′の値を任意に与え,次式に より￠,Iγた,I机の値を判断する｡ (イ)れ≦71ffのとき 0=0,肌=l机1,lγ′=仲11 (ロ)r`≧71nのとき ￠二Qど,Ⅵ′ヵ=0,I机=0 (ハ)r｡ff<71g<r｡｡のとき 前時点の状態((イ)またほ(ロ))を継続する｡ただしr叫 r｡ffは温度調節器のオン,オフ作動値である｡ (ii)Q二Qぞの場合は上記r`,T暑を用いて(7)式よりQ｡を求 める｡ (iii)(1)∼(4)式よりRunge-Kutta法により次の時点のn, r∫,71血,r`を求める｡計算した結果図dのように,各外気温 度における蒸発器温度,庫内温度の断続変動状態などが一目で わかる図が得られた｡

4･各構成要素の諸値が冷蔵庫の断続性能に及ぼす影響

前章の結果から蒸発器平均温度,庫内平均温度,庫内断続変動幅 を外気温度の関数として整理すると図7のようになる｡図7より次 のことがわかる｡ (り 庫内ヒータ容量の影響 庫内ヒータを大きくすると蒸発器温度は急速に低下する｡一方 庫内温度はわずかずつ上昇する傾向がある｡ (2)感熱管の諸量の影響 (i)感熱管のヒータ容量I机1の変化 感熱管ヒータ容量を大きくすると庫内温度が冬 季に低く夏季に高い冷蔵庫となる｡逆にヒータ容 量を小さくすると冬季に高く,夏季に低い冷蔵庫 となる｡すなわち夏季も冬季も一定の庫内温度と するには適当な感熱管ヒータ容量を選ぷ必要があ る｡またヒータ容量を大きくすると全体的に庫内 温度,蒸発器温度ともに低目に調整されるように なり,庫内温度の断続変動幅が狭くなる｡ (ii)感熱管の放熱係数の変化 感熱管の熱発散を良くして放熱係数を大きくす ると庫内温度は冬季に高く,夏季に低くなる｡ま (f一≡J/ぎニ 一 一 (UO) 単 項 表1 断続性能計算における記号の名称 633 記 号 名 _称 甑丁 位 C 123Cも血′山e i h t m山bl tl b且畑 b t t･t S d

KKKKKKKCCCCTTWWSVA叫㍗did｡もTiTeT｡TbTtγT｡Q｡Q｡QG

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たこの場合庫内温度はだんだん高目に調整される が,庫内温度の断続変動幅には大きな影響を与え ない｡ (iii)感熱管の熱容量の変化 感熱管の熱容量を小さくすると庫内平均温度はあまり影響を 受けず,庫内温度の断続変動幅のみ狭くなる｡ (3)温度調節器の作動値の影響 (i)温度調節器の作動平均値の変化 T口= 図6 (h 蒸発器と蹄内の問の熱貫流係数 庫J月例の箱の熱漏えい係数 蒸発器側の箱の熱届えい係数 i疑縮器の放熱係数 感熱管の放熱係数 車内ヒータと坪内の問の熱貫流係数 雄内ヒータと外気の間の熱耳流係数 蒸発器部分の熱容丑 嘩内部分の熱容量 席内ヒータ部分の熱容量 感熱管部分の熱容量 温度調節器のオン作動値 温度調節器のオフ作動値 坪内ヒータの容量 感熱管ヒータの容塁 庫内ヒータの放熱両防 圧縮機の一哩論押除是 正縮機によって決まる常数 内箱蓑而の熱伝達率 外箱表佃1の熱伝達率 断熱材の熱伝導率 蹄内ヒータと内箱の間の断熱材の厚さ 坪内ヒータと外箱の間の断熱材の厚さ 内箱と外箱の間の断熱材の厚さ 坪 内 温 度 蒸 発 器 温 度 外 気 温 度 韓内ヒータ温度 感 熱 管 限 度 感熱管周囲の温度 ‡疑縮 器 温 _度 冷凍サイク′しの冷凍能力 凝縮器の放熱すべき熱品 ある時点での冷疎サイクルの冷凍能力 冷 媒 彷 環 丑 吸込ガス冷媒の比体椚 圧縮礫の容耶効率 ある時点での坪内ヒータの入プ+ ある時点での感熱管ヒータの入力 影響度係数(内壁温度の影響度) 外気温旺の感熱管周囲温度に対する影響度 月三組騰の吸込圧力 圧雛救の吐出圧力 凝縮器山口の冷媒のエソタルピ 蒸発落人ロの冷媒のエソクルピ 拭拭拭旺蛇肥化℃℃℃℃ hh h 抑仙郷仙郷抑叫び仙郷al′℃℃叫Cal/が叫 C C C C C C C C C C C k k-E k k k k t姓 k k k k k kcal/m2b℃ kcal/m2h℃ kcal/mb℃ m m g hhhhkhb m℃℃℃℃℃℃℃叫叫叫咄叫 叫Cal/ k k一k k k kg/cm2 kg/cm2 kcal/kg kcal/kg

1……睡｡1……辿｡

10 0 ハU 1 2 0.5 1.0 (h) (b)T｡=20□cの場fナ 断 続 性 能 の _{計算 結 果} 0.5 1.0 (h) 10 【10 -20 (cl･T｡=300cの鳩′ナ (To:外気温度) オン作動値とオフ作動値の幅を一定にしたまま,平均作動値 を上下させると庫内平均温度が作動値のずれ分だけ上下する が,庫内温度の断続変動幅には大きな変化はない｡ (ii)温度調節器の作動幅の変化 作動平均値は同じにしてオン,オフの幅を変えると,庫内平

-41-634 _{昭和44年7月} 日 止 評

論

第51巻 第7号 4 2 0 ｢Uし 単∃｢一三主彗 凸lU O 一 一 一 一 一 ∬ (じロ) 単岩｢小二T語群黎 【20 -22 (Uし 単項｢､三/三世

若

¶H O 0 2 0 3 10 20 30 外気i止檻(Oc: 庫内ヒーークグノ変化 6 八八) 0 2 1 1 2 2 一 一 一 一 〈Uし 彰讃ゴ÷諾表替 皿｢ 3 2 1 (址ヱ)二重屯単ゴニ霊宝一≒三一 0.567W 0.85W 1.275W Ⅵ 7 6 5 0 W 5 ロ一じ 八U Ⅵ 5 7 2 0.567W 0.85W 10 20 30 外;t温度(Oc)･ 感熱皆のヒー タ古屋の変化

ペニミミご

0.095 0.068 0.136kca卜もOc .095 0.068 10 20 30 外1ミ温度(Oc〕 感熱甘ク)放熱 係数′)変化 T｡n-T｡//

､.ヱ三二三三L

0.0185kcaげC 0.0082 0.0185kcaげC 0.0082 0.0185kca卜′9c

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+.___. ] 10 20 30 外1(fふ三.度(Dc 感熱管グ)輿 ′戸主呈グ)変化 (Uし 単讃ぎ㌣三草 (箸て) 空音封諾壷型讃三せ -2 囲7 各構成要素の諸値の冷蔵庫の断続性能に及ぼす影響 均温度はほとんど変化せず,庫内温度の断続変動幅が大きく変 化する｡特に作動幅が5degを越すと庫内温度暗も4deg以上と なるので,温度調節器の作動幅を5deg以下にする必要がある｡ (4)庫内あるいは蒸発器内にある食品の影響 計算の結果,平均庫内温度,蒸発器温度には影響がなく,庫内 温度の断続変動幅のみ狭くなり,食品の無い状態に比べて良好な 性能となる｡ (5)電5魔の影響 (i)周波数の変化 電源周波数が50Hzと60Hzの比較では60Hzのはうが庫内 温度がやや低目(0.3∼0.4deg)に調整される｡庫内温度の断続 変動幅ははぼ同じである｡ (ii)電圧の変動 電源電圧を±10%変動させても庫内温度は±1deg程度し か変動しない｡ (る)量産時のばらつきの影響 量産における各冷蔵庫間の庫内温度のばらつきは約±1deg程 度である｡

5.庫内温度一定冷蔵庫の試験結果

以上の計算結果をもとにして庫内温度一定冷蔵庫を製作し,その 性能を試験したが,その結果は図8の×印で示すとおりであった｡ 計算結果は図8の実線のごとくで,外気温度が変化しても庫内温度 が常に一定であり計算値どおりの優秀な冷蔵庫が得られた｡

る.結

口 外気温度変化に対して常に庫内温度が一定となる冷蔵庫として, 庫内温度調節器の感熱管を庫内に設置し,これに小容量のヒータを 付設し圧縮枚の停止時のみこれに通電するようにした構造を採用 し,この冷蔵庫の冷却性能の理論解析を行なった｡その結果を要約 C 5 6 ∼ 5 9

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T川∼T｡｢/ 12.5∼9.50c 10 20 30 外気温度(qC:･ 温度調節器の作 動平均値の変化

仁

(メ二き 髭二三浩二墓 ハリ O <U 1 2 一 一 こし 少召｢≠ご≡忙史 呼‥ 口皿 朴 h車 蒸篭語注i止性 10 20 外1ミi止哩1′ロC: 0 3 0 ∧U ∧U 4 2 (認二 卦滋照 7deg(11.5∼4.50c) 3deg(9.5-6.50c) 7deg(11.5∼4.5'c)

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3deg(9.5∼6.5dc) ＼ 10 20 30 外気温檻(Oc〕 温度調節器グノ 作動幅の変化

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10

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ワ】 1 0 (地名一望毒樹盟二束G申出ニュ華 20 30 20 30 叶ちi温度(ロc′i 図8 庫内温度一定冷蔵庫の試験結果 すると, (1)各部品の特性値から木方式の冷蔵庫の断続性能を計算する 方式を確立した｡ (2)庫内の外気温度特性や断続変動幅は温度調節器の熱容量, 放熱特性ならびに感熱管ヒータの入力,熱容量が複雑に組み合わ されて決まるので,外気温度変化にかかわらず庫内温度を常に一 定にするためにはこれらの要素を適正に組合せることが必要であ る｡すなわち断続変動幅の少ない,外気温度による変動のない冷 蔵庫を得るためには温度調節器の熱容量を小さくし,放熱特性を 大きしくてヒータの容量をそれに見合うものに決めなければなら ないことがわかった｡ (3)以上の結果をもとにして庫内温度一定冷蔵庫を製作し,試 験した結果,計算値どおりの優秀な冷蔵庫が得られた｡ 参 考 文 献 (1)鈴木,藤沼:日立評論48,951(昭41-8) (2)藤橋,藤沼,石川:日立評論49,740(昭42-7)